Stabilizing Ca-ion batteries with a 7000-cycle lifespan and superior rate capability by a superlattice-like vanadium heterostructure

材料科学 异质结 电化学 超晶格 电极 阴极 离子 功率密度 化学工程 电化学动力学 光电子学 纳米技术 物理化学 物理 工程类 量子力学 功率(物理) 化学 冶金
作者
Xiaorui Hao,Lirong Zheng,Sanlue Hu,Yuhan Wu,Guobin Zhang,Baohua Li,Meng Yang,Cuiping Han
出处
期刊:Materials Today Energy [Elsevier BV]
卷期号:38: 101456-101456 被引量:12
标识
DOI:10.1016/j.mtener.2023.101456
摘要

Calcium-ion batteries (CIBs) by their strong competitiveness in cost and capacities have been considered as a desirable electrochemical energy technology. Nonetheless, the large ion radius and high charge density of Ca2+ lead to sluggish electrochemical reaction kinetics and structural collapse of electrode materials. Herein, we construct a superlattice-like poly 3,4-ethylenedioxythiophene−V2O5 (P–V2O5) heterostructure using an in situ self-assembly strategy and employ it as a CIB cathode. In the heterostructure, the inserted poly 3,4-ethylenedioxythiophene enlarges the interlayer of V2O5, exposing abundant active sites for efficient Ca2+ absorption and transport; meanwhile, it serves as an ‘interlayer linker’ between neighboring layers, which alleviates the volume change of V2O5 during Ca2+ insertion/extraction processes. Under the synergistic effect of these factors, the P–V2O5 electrode exhibits a longer life span and greater rate capability than pristine V2O5. Specifically, the electrode delivers a significant capacity of 157.2 mAh/g at 1 A/g and excellent cycle stability over a long period of 7000 cycles at a high current density of 20 A/g. Furthermore, it has a superior rate capability of 129.0 mAh/g even at 30 A/g. Electrochemical mechanism studies reveal that the insertion/extraction of Ca2+ in P–V2O5 is highly reversible, accompanied by the interlayer contraction/expansion.
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